R020838-Alat throtlling

BAB II
DASAR TEORI
2.1 HUKUM TERMODINAMIKA DAN SISTEM TERBUKA
Hukum pertama termodinamika adalah hukum kekekalan energi. Hukum
ini menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan. Energi
dari suatu sistem yang mengalami perubahan (proses) dapat bertambah atau
berkurang oleh pertukaran lingkungan dan dapat diubah dari bentuk yang satu ke
bentuk lain dalam suatu sistem. Jadi hukum ini menyatakan tentang pertukaran
dan kemampuan perubahan energi, menjaga bahwa dalam setiap perubahan semua
energi harus diperhitungkan. Hukum pertama tidak menunjukan apakah
perubahan energi berlangsung secara sempurna atau tidak, atau apakah beberapa
bentuk energi dapat dikonversikan secara penuh ke bentuk lain. Masalah
keterbatasan tersebut dilanjutkan dalam hukum termodinamika kedua.
Sebenarnya, pernyataan matematis yang paling umum mengenai hukum
pertama termodinamika adalah untuk sistem terbuka yang mengalami perubahan
transien. Sistem terbagi menjadi dua yaitu, sistem terbuka dan sistem tertutup.
Yang dimaksud sistem adalah setiap bagian tertentu, yang volume dan batasbatasnya tidak perlu tetap, dimana perpindahan dan konservasi energi serta
massanya akan dikaji. Sistem terbuka terjadi bila energi dan massa dapat melintasi
sistem. Sistem terbuka dalam keadaan transien adalah sistem dimana aliran massa
yang masuk dan keluar tidak sama atau berubah dengan waktu. Sistem terbuka
dengan keadaan tunak (steady) atau sistem aliran-tunak keadaan-tunak, karena
aliran massa dan energi melalui bidang batas tidak berubah menurut waktu dan
jumlah massanya juga tetap. Sistem aliran terbuka berlaku untuk energi mekanik
(artinya, mengabaikan energi listrik, kimia dan efek-efek lain) digambarkan dalam
bentuk bagan pada gambar 1.1. persamaan hukum pertama termodinamika untuk
sistem itu adalah
Energy balance 1 = Energy balance 2
EP1 + EK1 + U1
+
EF1 + ΔQ = EP2 + EK2 + U2 + EF2 + ΔWnet
Alat throtlling process..., Achmad Syahugi, FT UI. 2008
( 2.1)
ΔQ
EP1
EK1
EP2
1
2
EK2
U1
U2
EF1
EF2
ΔWnet
Gambar 2.1 Bagan Sistem Aliran Tunak Dengan Satu Aliran Masuk Dan Keluar
EP = energi potensial
EP =
mgh
gc
(2.2)
Dengan m adalah massa sejumlah zat yang masuk dan keluar dari sistem, z adalah
ketinggian sisi 1 dan 2 diatas titik datum, g adalah percepatan gravitasi, dan g c
adalah faktor konversi yang bilangnanya adalah 32,2 lbm ft/lbf s2 atau 1 kgm/Ns2.
EK = energi kinetic
EK= ½ mVs2
(2.3)
dimana Vs adalah kecepatan pada 1 dan 2
U = energi dalam ( internal energy)
Adalah semata-mata fungsi suhu dari gas ideal, sedangkan untuk gas, uap dan
cairan yang non-ideal terutama merupakan fungsi suhu, disamping juga
merupakan sedikit fungsi tekanan. Energi dalam merupakan ukuran aktivitas
dalam ( molekul ) dan interaksi fluida.
EF = energi aliran fluida
EF = PV
Alat throtlling process..., Achmad Syahugi, FT UI. 2008
(2.4)
P = tekanan fluida dan V = volume fluida
Energi aliran adalah kerja yang dilakukan oleh fluida yang mengalir untuk
mendorong sejumlah massa m ke dalam atau ke luar sistem.
ΔQ = kalor netto
ΔQ = Qa - Qr
( 2.5 )
ΔQ = mcn(T2 – T1)
( 2.6 )
atau
dimana Q a = kalor yang ditambahkan dan Qr = kalor yang dilepas dari sistem
melalui bidang batas, sesdangkan . cn = kalor spesifik yang bergantung pada
proses yang berlangsung antara 1 dan 2 yang nilainya diberikan pada gambar 2.1
proses
Cn
n
Tekanan tetap
Cp
0
Temperature tetap
∞
1
Adiabatik mampu balik
0
K = Cp/Cv
Volume tetap
Cv
∞
politropik
Cv = k-n/1-n
0-∞
Tabe 2.1 Kalor Spesifik Untuk Barbagai Proses
ΔW = kerja mekanik aliran tunak yang dilakukan oleh sistem = W by - W on
Dimana Wby adalah kerja yang dilakukan oleh sistem dan W on adalah kerja
yang dilakukan terhadap sistem.
H = Entalpi
H = U + PV
atau
h = u + Pv
( 2.7)
Entalpi dan energi dalam merupakan sifat properties fluida, yang berarti masingmasing mempunyai nilai tunggal untuk setiap keadaan tertentu, definisinya adalah
Cv
U
T
( 2.8 )
n
Alat throtlling process..., Achmad Syahugi, FT UI. 2008
Cp
h
T
Cp Cv
( 2.9 )
n
(2.10)
R
dimana R adalah konstanta gas, untuk gas ideal
du
CvdT
( 2.11)
dh
CpdT
( 2.12)
2.2 SIFAT-SIFAT FLUIDA AIR
Nilai sifat-sifat air ( vapour dan steam ) lebih kompleks dari gas ideal.
Keterangan mengenai sifat-sifat air dapat diperjelas berdasarkan gambar 2.2
T
cair
gas
cair + gas
S
gambar 2.2 T-S Diagram Fluida Air
dimana daerah disebelah kiri kubah merupakan daerah fase cair dan garis kubahnya merupakan fasa jenuh cair. Sedangkan daerah di sebelah kanan kubah
merupakan daerah fase gas dan garis kubah-nya merupakan fase jenuh gas.
2.3 TITIK TRIPLE AIR
Triple point adalah hubungan antara temperatur dan tekanan dalam
campuran tiga fase suatu zat, yaitu padat, cair dan gas pada titik
keseimbangannya. Tripel point air biasanya digunakan untuk mendefinisikan
suatu satuan temperatur yang digunakan sebagai satuan internasional. Pada titik
ini, dapat memungkinkan suatu zat berubah dalam bentuk tiga fase padat, cair dan
Alat throtlling process..., Achmad Syahugi, FT UI. 2008
gas apabila berada pada
temperatur
273.16 K (0,01 °C)
dan tekanan
611.73 pascals (0,0060373057 atm).
Gambar 2.3 Fase Diagram Air
2.4 PROSES THROTTLING
Salah satu teknologi yang digunakan dalam pemanfaatan air buangan
kondensor adalah dengan melakukan pencekikan ( throttling ). Throttling adalah
proses ekspansi tak-terkendali suatu fluida dari daerah tekanan tinggi ( dapat juga
bersuhu tinggi ) kedaerah bertekanan rendah. Dalam proses ini tidak ada kerja
yang dilakukan, perpindahan kalor melalui lubang katup throttling itu sangat kecil
( dapat diabaikan ). Energi kinetik tinggi yang dihasilkan dilesap dalam gesekan
fluida untuk mengembalikan entalpi fliuda ke nilai semula. Memang dalam proses
ini entalpi konstan, tetapi secara analisa, sebenarnya terjadi perubahan energi
dalam ( Δ u ) dan energi alirannya ( P v ) karena terjadi perubahan tekanan dan
temperature[3].
E1 = E2
EP1 + EK1 + H1 + ΔQ = EP2 + EK2 + H2 + Δwnet
Δ EP = 0, karena ketinggian stasion masuk dan keluar sama
ΔEK = dapat diabaikan, memang terjadi perubahan kecepatan yang cukup besar,
tetapi karena sistemnya kecil dan massanya kecil, karena itu perubahan
energi kinetiknya juga kecil.
ΔQ = 0, karena tidak ada kalor yang masuk dan keluar.
ΔW = 0, karena tidak ada kerja yang diakukan oleh dan terhadap sistem.
Alat throtlling process..., Achmad Syahugi, FT UI. 2008
Jadi H1 = H2 = U + PV
dan h1 = h2 = u + Pv
Jadi, proses throttling merupakan proses dengan entalpi tetap, akan tetapi
di dalamnya terjadi perubahan energi dalam dan energi aliran karena perubahan
tekanan dan temperatur. Selain itu, sebenarnya terdapat pula perubahan energi
kinetik, tapi nilainya cukup kecil dibandingkan dengan perubahan energi dalam
dan energi alirannya.
2.4 SISTEM REFRIGERASI
Saat ini mesin refrigerasi yang paling banyak digunakan di dunia adalah
dari jenis siklus kompresi uap. Sistem lain, seperti sistem magneto-kalorik,
absorbsi, adsorpsi, dan efek Siebeck hingga saat
ini masih terbatas
penggunaannya. Mesin refrigerasi siklus kompresi uap memiliki fleksibilitas
penggunaan, yakni bisa berfungsi sebagai mesin pendingin (AC) ataupun pompa
kalor (heat pump) dengan mengubah arah aliran refrigerannya. Mesin refrigerasi
jenis ini juga berukuran cukup kompak, sehingga tidak memerlukan ruang yang
besar.
Mesin refrigerasi kompresi uap terdiri atas empat komponen utama, yakni
kompresor, kondensor, katup ekspansi, dan evaporator. Kondensor dan evaporator
sesungguhnya merupakan penukar kalor (heat exchanger) yang berfungsi
mempertukarkan kalor diantara dua fluida, yakni antara refrigerant dengan fluida
luar (bisa berupa air ataupun udara). Kondensor berfungsi untuk proses
kondensasi yang terjadi pada temperatur dan tekanan tinggi, dimana sejumlah
kalor dilepaskan oleh refrigerant ke dalam medium air sehingga refrigerant
berubah fase menjadi cair. Dan evaporator berfungsi untuk proses penguapan
refrigerant dimana kalor tersebut diambil dari udara yang mengalir melalui pipa
dan sirip evaporator.
Sedangkan katup ekspansi berfungsi untuk menurunkan tekanan tinggi ke
tekenan yang lebih rendah dimana refrigerant dalam keadaan cair bertekanan
tinggi diekspansi sedemikian rupa sehingga tekanan refrigerant setelah melewati
Alat throtlling process..., Achmad Syahugi, FT UI. 2008
katup ekspansi sama tekanannya dengan evaporator. Skema mesin refrigerasi ini
dapat dilihat pada Gambar 2.4 di bawah ini.
Gambar 2.4 Skema Mesin Refrigerasi Siklus Kompresi Uap
Sedangkan diagram tekanan−entalpi yang menjelaskan proses pada mesin
refrigerasi siklus kompresi uap bisa dilihat pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Diagram Tekanan−Entalpi Pada Proses Refrigerasi Siklus Kompresi Uap
Pada proses 1−2, kompresor menaikkan tekanan uap refrigerant. Kenaikan
tekanan ini diikuti dengan kenaikan temperatur uap refrigerant. Pada tingkat
keadaan (TK) 2, uap refrigerant berada pada kondisi uap panas. Pada proses 2−3,
uap refrigerant memasuki kondensor dan mendapatkan pendinginan dari
kondensor. Pendinginan ini terjadi akibat pertukaran panas antara uap refrigerant
dengan fluida luar (misalnya udara lingkungan ataupun air pendingin). Refrigerant
keluar dari kondensor pada TK 3 dalam kondisi cair jenuh, atau bisa juga pada
Alat throtlling process..., Achmad Syahugi, FT UI. 2008
kondisi cair dingin kemudian memasuki katup ekspansi. Katup ekspansi ini pada
prinsipnya berupa penyempitan daerah aliran yang berakibat pada penurunan
tekanan fluida secara drastis.
Idealnya, refrigerant melalui katup ekspansi (proses 3−4) secara isoentalpi (isentalpi). Pada TK 4, refrigerant berada dalam kondisi campuran cair dan
uap. Karena refrigerant berada pada tekanan jenuhnya (tekanan penguapan), maka
dia akan mengalami penguapan; hukum alam menyatakan bahwa penguapan
membutuhkan energi, terjadilah penyerapan energi termal dari luar evaporator
yang menyebabkan efek pendinginan oleh mesin refrigerasi. Kemampuan/prestasi
pendinginan dinyatakan dengan :
COP
QE
WC
(2.12)
COP (tak bersatuan) singkatan dari Coefficient of Performance, Q E adalah
perpindahan panas pada evaporator, dan WC adalah kerja kompresor.
Perpindahan panas pada evaporator digunakan untuk mengkondensasi uap
didalam tabung vakum. Perpindahan panas yang diserap oleh refrigerant pada
evaporator sama dengan perpindahan panas yang diterima uap air hasil proses
throattling didalam tabung vakum.
Sesuai asas black maka:
Qevaporator
C p xWkomp
Qkondensasi
muap xh fg vakum
(2.13)
Maka massa uap yang dapat dikondensasi oleh evaporator adalah
muap
c p xwk om p
h fg vakum
Alat throtlling process..., Achmad Syahugi, FT UI. 2008
(2.14)
2.5 POMPA AIR
Pompa merupakan salah satu alat yang berfungsi untuk mengalirkan fluida
dari potensial rendah ke potensial yang lebih tinggi dengan menggunakan gerak
putaran dari blades dan arah aliran sejajar dengan sumbu porosnya. Karena
adanya perputaran dari blades yang mempunyai kedudukan sudut tertentu
sehingga tekanan dari sisi hisap blades pada daerah suction menjadi lebih rendah,
akibatnya fluida mengalir ke sisi hisap blades yang selanjutnya masuk kesisi
tekan blades pada tekanan discharge yang lebih tinggi sehingga fluida mengalir
ke tekanan yang lebih rendah.
Wpompa = Q x H x ρ x g
( 2.31)
Dengan : Q = kapasitas aliran fluida ( m3/s )
H = head pompa ( meter)
Ρ = massa jenis fluida ( kg/m3 )
G = gravitasi bumi (m/s2 )
2.6 POMPA VAKUM
Vakum merupakan kondisi dimana suatu ruang terdapat sedikit atau tidak
terdapat molekul gas/udara. Untuk membuat suatu kevakuman dalam sistem
diperlukan perbedaan tekanan untuk memindahkan molekul gas yang ada dalam
sistem keluar sistem. Tekanan yang lebih rendah memiliki jumlah molekul yang
lebih sedikit dibandingkan tekanan tinggi. Karena itu, diperlukan suatu alat yang
dapat membuat dan menjaga suatu perbedaan tekanan antara dua ruang yang
disebut pompa vakum.
Terdapat dua jenis pompa vakum, yaitu transfer pumps and trapping
pumps. Transfer pumps disebut juga kinetic pumps
karena memberikan
momentum kepada gas/udara dengan cara mengekspansi sehingga gas/udara dapat
dihisap secara terus-menerus masuk melalui katup hisap pompa dan keluar
menuju katup keluar pompa. Rotor yang terdapat didalam pompa bergerak rotasi
sehingga menghasilkan tekanan rendah didalam pompa untuk menghisap udara
secara terus menerus sehingga udara didalam suatu ruangan keadaannya vakum.
Setelah mencapai titik vakum maksimum, katup tertutup agar gas yang berada
Alat throtlling process..., Achmad Syahugi, FT UI. 2008
pada tekanan yang lebih tinggi (luar ruangan) tidak masuk kembali kedalam
ruanagn vakum.
Gambar 1.6. Pergerakan Rotasi Rotor Pompa Menghisap Udara/Gas
Trapping atau capture pumps pada umumnya terletak didalam ruangan.
Trapping or capture pumps akan memindahkan molekul udara/gas dengan cara
sorption atau condensation pada bagian dalam permukaan gas tersebut. Jika
molekul gas bereaksi dengan material yang internal pompa secara kimiawi,
material yang baru yang diciptakan oleh reaksi gas dan molekul material bagian
dalam akan disimpan dalam pelat film tipis. Hal in ilah yang disebut sorption
molekul gas. Lagipula, jika molekul gas yang masuk dan bersentuhan dengan
permukaan yang didinginkan pompa, gas akan dikondensasi dan dipindahkan
dalam bentuk cairan.
2.7 SIKLUS PLTU
1
turbin
B
Boiler
2
Air laut out
kondensor
A
4
P
3
Gambar 1.7. Siklus PLTU
Alat throtlling process..., Achmad Syahugi, FT UI. 2008
Air laut in
T
1
A
B
4
3
2
S
Gambar 1.8. T-S Diagram Untuk Siklus Rankine
P
A
B 1
4
3
2
V
Gambar 1.9. P-V Diagram Untuk Siklus Rankine
4-A merupakan proses membawa cairan dingin lanjut menjadi cairan jenuh
pada B dalam ekonomisator.
A-B merupakan pemanasan cairan jenuh menjadi uap jenuh pada tekanan dan
suhu tetap karena campuran dua fase pada boiler.
B-1 merupakan pemanasan lanjut oleh superheater menjadi uap panas pada
tekanan tetap.
1-2 adalah ekspansi mampu balik oleh turbin, uap keluar pada 2 menjadi dua
fase uap dan air pada kondensor.
Alat throtlling process..., Achmad Syahugi, FT UI. 2008
2-3 adalah proses dua fase pada suhu dan tekanan tetap pada kondensor
sekaligus pembuangan panas kondensor ke laut.
3-4 merupakan kompresi adiabatik oleh pompa pada cairan jenuh pada
tekanan kondensor 3 menjadi cairan dingin lanjut pada tekanan pembangkit.
Analisa siklus tersebut dapat ditentukan secara sederhana atas dasar satuan
massa uap jenuhnya yaitu :
Kalor yang ditambahkan pada boiler (qin) = h1 – h4 (kJ/kg)
Kerja turbin (wT) = h1 – h2 ( kJ/kg )
Kalor yang dibuang oleh kondensor (qout) = h2 – h3 (kJ/kg)
Kerja pompa (wp) = h4 – h3 (kJ/kg)
Kerja netto (Δ wnet) = (h1 – h2) – (h4 – h3) (kJ/kg)
Efisiensi termal (ήth) = Δ wnet / qin x 100%
Berdasarkan hubungan PLTU dengan penulisan ini adalah pemanfaatan air
laut buangan kondensor. Tugas utama kondensor adalah untuk mengembunkan
uap buangan turbin dengan demikian dapat memulihkan air umpan berkualitas
tinggi untuk dipakai lagi dalam siklus tersebut. Dalam melaksanakan hal tersebut,
kondensor juga melaksanakan fungsi lain yang lebih penting yaitu, jika suhu air
laut pendingin lebih rendah akan menimbulkan tekanan balik yang rendah
(vakum) untuk menghisap uap keluar dari turbin.
Alat throtlling process..., Achmad Syahugi, FT UI. 2008